世紀機遇！AI和無人駕駛需求下的未來汽車電子架構

這是一款中級豪華轎車的電子電器架構, 如圖1所示, 是一種平行的、由不同帶寬和信號傳輸標準 (protocol) 並通過網關(Gateway)連接而成的網路， 這裡有CAN(controller area network)、FlexRay、MOST、LIN、LVDS(Low voltage differential signaling)，甚至模擬信號的直接連接。

車載電子網路已經有上萬個信號在不同傳輸標準 (protocol)下收發，不同形式的軟體在不同的上百個的電子控制模塊運行，軟體的規模已經超過100 Mio.行，如何把控這樣的複雜體系，有效地驗證其整體功能和安全， 還同時要把研發和整車成本控制在一定的範圍內，這是主機廠現在面臨的一個巨大挑戰。

讓我們回顧一下個人電腦(Personal Computer)的發展歷程，自1981年8月IBM發明PC以來， 電腦的硬體架構是基本固定的和可擴展的(scalable)， 有CPU、GPU， 有PCI-Bus，有埠USB、VGA、HDMI，還有工作內存、硬碟或SSD; 軟體方面，有一個操作系統，有不同的應用軟體，而連接這些PC的網路，是乙太網(Ethernet) 。

圖2 IBM PC5150

這裡作者指出，汽車的電子模塊對比PC，有如下的巨大區別：

圖3 汽車電子模塊與PC的對比

面對車聯網(V2X) 、駕駛輔助系統ADAS(advanced driver assistance system) 、整車電氣化(electrification) 、以及未來無人駕駛(autonomous driving)的市場，現有汽車的電子電器架構已經不能滿足未來的需求了。大量的數據 (雷達、激光雷達、攝像頭、以及其它各種感測器的信號，還有V2X的信號)需要接收、處理、並發出相應的指令到執行機構。

對此，筆者提出如下三個觀點：

第一：開發和制定一個標準的、可擴展的汽車用電腦，把它稱為iPC(車載電腦)

iPC如同一個高性能的、可擴展的PC，擁有標準的CPU (central processing unit)、GPU (graphic processing unit) 、SoC(system on chip)，和其它可擴展的AI晶元，比如NPU (neuronal network processing unit) 。在2000年，我還在德國戴姆勒集團負責動力總成電子系統，和同事們研討未來汽車電子時，就有了iPC想法的雛形 。

iPC的操作系統可以統一，比如Linux。iPC的網路埠主要是乙太網(Ethernet)，帶寬1Gbps至100Gbps，集成了未來的5G移動網路， 以及I/O埠。這是屬於PC和伺服器製造公司、創新科技公司的一次世紀機遇!也是汽車電子行業重新洗牌的時刻!

第二：制定和實施汽車乙太網(automotive ethernet)

乙太網在互聯網、個人電腦、工業自動化已經有了廣泛的應用。未來的中國製造2025、或者德國工業4.0，物聯網(internet of things)，它們都有一個共同的載體Ethernet!汽車網路之所以至今少有應用乙太網(少數在多媒體的應用除外)，其中一個主要障礙就是乙太網的實時性 (real time capability) 。

乙太網一般要等待先傳輸的一個信號包 (package)投遞到達，才能傳輸第二個信號包，這樣，對發動機、轉向或制動系統的控制信號，是不能滿足要求的。為了使乙太網能夠實時控制(time trigged)，IEEE802.3制定標準，可以發送快遞信號包(express package)，它可以先暫停在傳輸中的信號包，讓快遞信號包實時送達後，再傳送暫停了的信號包，以解決發動機、轉向、制動系統的實時控制問題。另外，如果利用PoE(Power over Ethernet)，可實現不外加線束、直接驅動一些執行器。

第三：開發獨立於硬體的應用軟體

現有五花八門的車載電子控制模塊，因為它們來自不同的Tie1，有不同的硬體、不同的操作系統，更有不同的應用軟體，這對於OEM來講，是一個極高成本的、大風險的、十分複雜的集成和驗證工作。

如果有了車載電腦iPC，有了iPC的統一的操作系統，就能給與軟體科技公司一次巨大的機遇，開發獨立於硬體的應用軟體，如同App，可以在不同的硬體環境下正常運行, 客戶甚至可以依據個人需求付費下載(new business model)， 也使OEM可以簡單地集成、驗證、再用(re-use) 。我的一些德國汽車主機廠(BBAP)的同行們，同樣希望有獨立於硬體的應用軟體，便於進一步開發、再應用(re-use)，甚至便於切換Tie1。

圖4 開發獨立於硬體的應用軟體(汽車車載App)

圖 5 基於iPC的汽車電子乙太網

總結

汽車電子的未來架構將是車載乙太網(automotive ethernet) 。

作者在這裡提出三個觀點：

1) 標準化、可擴展的車載電腦iPC

2) 統一的操作系統 (比如Linux)

3) 獨立於硬體的應用軟體

這將是未來汽車發展的趨勢，給與PC、伺服器製造商和科技創新公司，以及獨立的軟體科技公司帶來了嶄新的商機 。打破系統Tie1的壟斷，正是中國零部件企業的世紀機遇!

預測到2025年， 乙太網在汽車電子的滲透率將超過50%， 而它帶來的不僅是技術的跨越，也是降低成本、輕量化和汽車個性化(iPC的App， 軟體更新OTA)， 車聯網V2X，無人駕駛(routing & map via cloud)的新突破。

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